CN105965474A - 可变结构参数柔索并联机器人减振装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变结构参数柔索并联机器人减振装置，包括环形导轨、多组可移动变幅机构、与可移动变幅机构一一配对的减振装置。由多组可移动变幅机构通过横向滑轮卡在环形导轨上，三个减振单元中部嵌套在减振机架底部的三个套筒内，组成减振装置。本发明能够有效的优化可变结构参数柔索并联机器人运作过程中的振动问题，提高柔索并联机器人运作时的稳定性、安全性和可靠性，并极大地提高了柔索并联机器人的运动精度。

Description

可变结构参数柔索并联机器人减振装置

技术领域

本发明涉及柔索并联机器人领域，具体是一种可变结构参数柔索并联机器人减振装置。

背景技术

柔索并联机器人具有结构简单、负载能力强、工作空间大、运动速度快、精度高等诸多优点。目前，中国专利公布号CN103286771A公开了一种空间三转动自由度并联机构，中国专利公布号CN103831819A公开了一种模块化可重构柔索并联机构实验平台，中国专利公布号CN104440870A公开了一种可变结构参数柔索并联机器人控制系统及控制方法。以上所述的柔索并联机构，均未考虑到柔索并联机器人在运动过程中产生的振动问题，没有提出一种能够改善柔索并联机器人振动的装置和方法。随着柔索并联机器人在制造业各个领域的应用越来越广泛，发挥着越来越重要的作用。因此，对柔索并联机器人的稳定性、可靠性、精度方面也提出了越来越高的要求。

发明内容 本发明的目的就是克服上述现有装置存在的不足，提出了一种柔索并联机器人的减振装置及其方法，该装置能够有效的优化可变结构参数柔索并联机器人运作过程中的振动问题，提高柔索并联机器人运作时的稳定性、安全性和可靠性，并极大地提高了柔索并联机器人的运动精度。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

可变结构参数柔索并联机器人减振装置，其特征在于：包括环形导轨、多组可移动变幅机构、与可移动变幅机构一一配对的减振装置，其中：

所述环形导轨中心轴线沿竖向设置，环形导轨底部具有底板，环形导轨外圈设有随环形导轨形状的环形齿轮，环形导轨内圈设有随环形导轨形状的凹槽，所述底板中心具有中心环台，中心环台外圈设有随中心环台形状的导槽；

所述可移动变幅机构包括沿环形导轨径向跨越环形导轨顶面的机架，所述机架底面径向外端、径向内端分别设有向下的延伸部，且机架底面径向外端的延伸部中转动安装有横向滑轮、齿轮组，机架底面径向内端的延伸部上转动安装有横向滑轮，所述机架跨越环形导轨顶面时，机架底面径向外端延伸部的齿轮组与环形导轨外圈环形齿轮传动啮合，机架底面径向内、外端延伸部的横向滑轮分别对应滚动安装在环形导轨内圈凹槽中、环形导轨外圈中，机架顶面径向外端安装有伺服电机，伺服电机的输出轴与齿轮组传动连接，机架顶面径向内端竖直安装有纵向液压缸，所述纵向液压缸活塞杆竖直向上设置，且纵向液压缸活塞杆上端转动安装有柔索滑轮，机架顶面位于伺服电机和纵向液压缸之间转动安装有柔索套筒，柔索套筒上缠绕有柔索，多组可移动变幅机构中，柔索分别向上绕过柔索滑轮后，再向下向中心环台中心延伸，且多组可移动变幅机构的柔索索端共同连接有末端执行器；

所述减振装置包括呈三脚架状的减振机架，减振机架底面为对称三角形，减振机架顶部设有水平的连接台，连接台中具有竖向贯通连接台的安装通孔，减振机架底面三个三角顶点位置分别设有支撑座，每个支撑座中分别设有竖向贯通支撑座的通孔，每个支撑座的通孔内分别同轴安装有微型直线电机套筒，微型直线电机套筒中分别设有微型直线电机，每个微型直线电机套筒上、下端分别同轴竖直连接有阻尼器，且上、下方的阻尼器分别对应从支撑座通孔上、下端穿出，所述微型直线电机的输出轴与其中一个阻尼器同轴连接，上方阻尼器的上端、下方阻尼器的下端分别通过锥形滚轮支撑架转动安装有锥形滚轮，且上、下方锥形滚轮支撑架与微型直线电机套筒对应端之间连接有套在对应阻尼器外的弹簧，由微型直线电机、微型直线电机套筒、阻尼器、弹簧、锥形齿轮构成减振单元，多个减振装置分别沿环形导轨内圈设置，减振装置中连接台通过安装通孔套装在对应配对的可移动变幅机构中纵向液压缸上，减振装置中减振机架底面对称三角形顶点处上、下方的锥形滚轮分别滚动安装在中心环台外圈导槽中，减振装置中减振机架底面其余呈对称的两个三角顶点处上、下方的锥形滚轮分别滚动安装在环形导轨内圈的凹槽中，且其余两个三角顶点以对应的纵向液压缸为对称轴呈相互对称。

所述的可变结构参数柔索并联机器人减振装置，其特征在于：还包括有检测-控制-反馈回路减振系统，检测-控制-反馈回路减振系统包括单片机控制芯片，以及由加速度计、速度计、位移计构成的振动检测单元，所述检测-控制-反馈回路减振系统设置在可移动变幅机构上，其中振动检测单元设置在纵向液压缸活塞杆上端柔索滑轮安装处，单片机控制芯片设置在机架上，所述振动检测单元接入单片机控制芯片的输入接口，单片机控制芯片的输出接口连接减振单元中微型直线电机。

一种可变结构参数柔索并联机器人减振方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、可移动变幅机构通过横向滑轮卡在环形导轨上，三个减振单元中部嵌套在减振机架底部的三个套筒内组成减振装置，将减振装置上部套在纵向液压缸上，并用紧定螺钉拧紧，减振装置下部的减振单元分别放置在环形导轨内部，使得减振单元的锥形滚轮嵌入到环形导轨的凹槽内；

步骤二、纵向液压缸上部的振动通过减振机架传递到三个减振单元，由三个减振单元的弹簧和阻尼器实现减振的目的，另外，分布在环形导轨外侧的两个减振单元，实现纵向液压缸上部切向振动的减振，分布在环形导轨内侧的一个减振单元，实现纵向液压缸上部径向振动的减振，纵向液压缸上部的振动通过机械减振装置实现主要部分的减振；

步骤三、安置在纵向液压缸顶部柔索滑轮外侧的振动检测单元，实时检测纵向液压缸顶部的振动幅度，由单片机控制芯片输入接口实时采集振动检测单元检测到的振动信号，并进行相应的数据处理，由单片机控制芯片输出接口控制微型直线电机的伸缩，进而改变弹簧和阻尼器伸缩；

步骤四、若切向振动幅度稍大，则微调分布在环形导轨外侧减振单元的微型直线单机，使其伸长，进而压缩弹簧和阻尼器，增大弹力和阻尼，达到切向减振的目的，径向减振亦如是。

本发明的优点在于：

一．采用多个由弹簧和阻尼构成的振动单元，极大的改善了以往可变结构参数柔索并联机器人可移动变幅机构的振动问题，增加了机器运行的安全性和可靠性。

二．机器实际运行过程中的振动是随机非指向性的，因此增加了检测-控制-反馈回路减振系统，实时检测纵向液压缸顶部的振动幅度，通过单片机控制芯片实时采集，并实时控制微型直线电机的伸缩，进而实现纵向液压缸顶部的实时减振。

三．由于改善了纵向液压缸的振动，也改善了跨在纵向液压缸顶部滑轮上的柔索的振动问题，柔索不会因为移动结合部的剧烈振动放大与其相连接的末端执行器的振动，从而增加了柔索控制的精确性和稳定性。

四．使得可变结构参数柔索并联机器人的实际应用中具有广泛的适用性和实用性。

附图说明

图1是本发明具有减振装置的可变结构参数柔索并联机器人的总装配图；

图2是本发明可变结构参数柔索并联机器人环形导轨的三视图和轴测图；

图3是本发明可变结构参数柔索并联机器人的可移动变幅机构示意图；

图4是本发明可变结构参数柔索并联机器人减振装置示意图；

图5是本发明减振装置中减振单元示意图；

图6是本发明检测-控制-反馈回路减振系统逻辑图。

具体实施方式

如图1所示，可变结构参数柔索并联机器人减振装置，包括环形导轨1、多组可移动变幅机构2、与可移动变幅机构2一一配对的减振装置3，其中：

如图2所示，环形导轨1中心轴线沿竖向设置，环形导轨1底部具有底板，环形导轨1外圈设有随环形导轨形状的环形齿轮，环形导轨1内圈设有随环形导轨形状的凹槽，底板中心具有中心环台23，中心环台23外圈设有随中心环台23形状的导槽；

如图3所示，可移动变幅机构2包括沿环形导轨1径向跨越环形导轨1顶面的机架24，机架24底面径向外端、径向内端分别设有向下的延伸部，且机架24底面径向外端的延伸部中转动安装有横向滑轮、齿轮组20，机架24底面径向内端的延伸部上转动安装有横向滑轮，机架24跨越环形导轨1顶面时，机架24底面径向外端延伸部的齿轮组20与环形导轨1外圈环形齿轮传动啮合，机架24底面径向内、外端延伸部的横向滑轮22分别对应滚动安装在环形导轨1内圈凹槽中、环形导轨1外圈中，机架24顶面径向外端安装有伺服电机18，伺服电机18的输出轴与齿轮组20传动连接，机架24顶面径向内端竖直安装有纵向液压缸17，纵向液压缸17活塞杆竖直向上设置，且纵向液压缸17活塞杆上端转动安装有柔索滑轮21，机架24顶面位于伺服电机18和纵向液压缸17之间转动安装有柔索套筒19，柔索套筒19上缠绕有柔索，多组可移动变幅机构2中，柔索分别向上绕过柔索滑轮21后，再向下向中心环台23中心延伸，且多组可移动变幅机构2的柔索索端共同连接有末端执行器4；

如图4、图5所示，减振装置3包括呈三脚架状的减振机架8，减振机架8底面为对称三角形，减振机架8顶部设有水平的连接台9，连接台9中具有竖向贯通连接台9的安装通孔，减振机架8底面三个三角顶点位置分别设有支撑座，每个支撑座中分别设有竖向贯通支撑座的通孔，每个支撑座的通孔内分别同轴安装有微型直线电机套筒16，微型直线电机套筒16中分别设有微型直线电机11，每个微型直线电机套筒16上、下端分别同轴竖直连接有阻尼器13，且上、下方的阻尼器13分别对应从支撑座通孔上、下端穿出，微型直线电机11的输出轴与其中一个阻尼器同轴连接，上方阻尼器的上端、下方阻尼器的下端分别通过锥形滚轮支撑架15转动安装有锥形滚轮14，且上、下方锥形滚轮支撑架与微型直线电机套筒对应端之间连接有套在对应阻尼器13外的弹簧12，由微型直线电机11、微型直线电机套筒16、阻尼器13、弹簧12、锥形齿轮14构成减振单元10，多个减振装置3分别沿环形导轨1内圈设置，减振装置3中连接台9通过安装通孔套装在对应配对的可移动变幅机构2中纵向液压缸17上，减振装置3中减振机架8底面对称三角形顶点处上、下方的锥形滚轮分别滚动安装在中心环台23外圈导槽中，减振装置3中减振机架8底面其余呈对称的两个三角顶点处上、下方的锥形滚轮分别滚动安装在环形导轨1内圈的凹槽中，且其余两个三角顶点以对应的纵向液压缸17为对称轴呈相互对称。

如图3、图6所示，还包括有检测-控制-反馈回路减振系统，检测-控制-反馈回路减振系统包括单片机控制芯片6，以及由加速度计、速度计、位移计构成的振动检测单元7，检测-控制-反馈回路减振系统设置在可移动变幅机构2上，其中振动检测单元7设置在纵向液压缸17活塞杆上端柔索滑轮21安装处，单片机控制芯片6设置在机架24上，振动检测单元7接入单片机控制芯片6的输入接口，单片机控制芯片6的输出接口连接减振单元3中微型直线电机11。

一种可变结构参数柔索并联机器人减振方法，包括以下步骤：

步骤一、可移动变幅机构通过横向滑轮卡在环形导轨上，三个减振单元中部嵌套在减振机架底部的三个套筒内组成减振装置，将减振装置上部套在纵向液压缸上，并用紧定螺钉拧紧，减振装置下部的减振单元分别放置在环形导轨内部，使得减振单元的锥形滚轮嵌入到环形导轨的凹槽内；

步骤二、纵向液压缸上部的振动通过减振机架传递到三个减振单元，由三个减振单元的弹簧和阻尼器实现减振的目的，另外，分布在环形导轨外侧的两个减振单元，实现纵向液压缸上部切向振动的减振，分布在环形导轨内侧的一个减振单元，实现纵向液压缸上部径向振动的减振，纵向液压缸上部的振动通过机械减振装置实现主要部分的减振；

步骤三、安置在纵向液压缸顶部柔索滑轮外侧的振动检测单元，实时检测纵向液压缸顶部的振动幅度，由单片机控制芯片输入接口实时采集振动检测单元检测到的振动信号，并进行相应的数据处理，由单片机控制芯片输出接口控制微型直线电机的伸缩，进而改变弹簧和阻尼器伸缩；

步骤四、若切向振动幅度稍大，则微调分布在环形导轨外侧减振单元的微型直线单机，使其伸长，进而压缩弹簧和阻尼器，增大弹力和阻尼，达到切向减振的目的，径向减振亦如是。

本发明包括：环形导轨1，可移动变幅机构2，减振装置3，柔索5，末端执行器4。环形导轨1外圈具有环形齿轮，内圈具有四个带有润滑脂的凹槽；可移动变幅机构2主要由纵向液压缸17、伺服电机18、齿轮组20、柔索卷筒19、柔索滑轮21等部件组成；减震装置3由减振机架8和减振单元10组成，所述的减振单元10包括微型直线电机11、微型直线电机套筒16、弹簧12、阻尼器13、锥形滚轮支撑架15、锥形滚轮14。其中锥形滚轮14绕着环形导轨1运动，故设计成锥形。其连接特征为：可移动变幅机构2通过横向滑轮22卡在环形导轨1上，三个减振单元10中部嵌套在减振机架8底部的三个套筒内构成减振装置3，将减振装置3上部套在纵向液压缸上17，并用紧定螺钉拧紧。减振装置3下部的减振单元10分别放置在环形导轨1内部，使得减振单元10的锥形滚轮14嵌入到环形导轨1的凹槽内。

结合图3和图5，检测-控制-反馈回路减振系统主要包括：振动检测单元7，由加速度计、速度计、位移计组成，单片机控制芯片6，微型直线电机11。其连接特征为：振动检测单元7连接单片机控制芯片6输入接口，单片机控制芯片7输出接口连接微型直线电机11，单片机控制芯片6根据振动检测单元7采集的振动强弱，反馈控制微型直线电机11的伸缩。

结合图1-6，本发明可变结构参数柔索并联机器人减振方法步骤如下：

步骤一．可移动变幅机构2通过横向滑轮22卡在环形导轨1上，三个减振单元10中部嵌套在减振机架8底部的三个套筒内组成减振装置3，将减振装置3上部套在纵向液压缸17上，并用紧定螺钉9拧紧。减振装置3下部的减振单元10分别放置在环形导轨1内部，使得减振单元10的锥形滚轮14嵌入到环形导轨1的凹槽内。

步骤二．压缸17上部的振动通过减振机架8传递到三个减振单元10，由三个减振单元10的弹簧12和阻尼器13实现减振的目的。另外，分布在环形导轨1外侧的两个减振单元10，实现纵向液压缸17上部切向振动的减振，分布在环形导轨1内侧的一个减振单元10，实现纵向液压缸17上部径向振动的减振。纵向液压缸17上部的振动通过机械减振装置3实现主要部分的减振。

步骤三．参见图6，安置在纵向液压缸17顶部柔索滑轮外侧的振动检测单元7，实时检测纵向液压缸17顶部的振动幅度，由单片机控制芯片6输入接口实时采集振动检测单元7检测到的振动信号，并进行相应的数据处理，由单片机控制芯片6输出接口控制微型直线电机11的伸缩，进而改变弹簧12和阻尼器13伸缩。

步骤四．参见图6，若切向振动幅度稍大，则微调分布在环形导轨1外侧减振单元10的微型直线单机11，使其伸长，进而压缩弹簧12和阻尼器13，增大弹力和阻尼，达到切向减振的目的，径向减振亦如是。

Claims (3)

1.可变结构参数柔索并联机器人减振装置，其特征在于：包括环形导轨、多组可移动变幅机构、与可移动变幅机构一一配对的减振装置，其中：

所述环形导轨中心轴线沿竖向设置，环形导轨底部具有底板，环形导轨外圈设有随环形导轨形状的环形齿轮，环形导轨内圈设有随环形导轨形状的凹槽，所述底板中心具有中心环台，中心环台外圈设有随中心环台形状的导槽；

所述可移动变幅机构包括沿环形导轨径向跨越环形导轨顶面的机架，所述机架底面径向外端、径向内端分别设有向下的延伸部，且机架底面径向外端的延伸部中转动安装有横向滑轮、齿轮组，机架底面径向内端的延伸部上转动安装有横向滑轮，所述机架跨越环形导轨顶面时，机架底面径向外端延伸部的齿轮组与环形导轨外圈环形齿轮传动啮合，机架底面径向内、外端延伸部的横向滑轮分别对应滚动安装在环形导轨内圈凹槽中、环形导轨外圈中，机架顶面径向外端安装有伺服电机，伺服电机的输出轴与齿轮组传动连接，机架顶面径向内端竖直安装有纵向液压缸，所述纵向液压缸活塞杆竖直向上设置，且纵向液压缸活塞杆上端转动安装有柔索滑轮，机架顶面位于伺服电机和纵向液压缸之间转动安装有柔索套筒，柔索套筒上缠绕有柔索，多组可移动变幅机构中，柔索分别向上绕过柔索滑轮后，再向下向中心环台中心延伸，且多组可移动变幅机构的柔索索端共同连接有末端执行器；

所述减振装置包括呈三脚架状的减振机架，减振机架底面为对称三角形，减振机架顶部设有水平的连接台，连接台中具有竖向贯通连接台的安装通孔，减振机架底面三个三角顶点位置分别设有支撑座，每个支撑座中分别设有竖向贯通支撑座的通孔，每个支撑座的通孔内分别同轴安装有微型直线电机套筒，微型直线电机套筒中分别设有微型直线电机，每个微型直线电机套筒上、下端分别同轴竖直连接有阻尼器，且上、下方的阻尼器分别对应从支撑座通孔上、下端穿出，所述微型直线电机的输出轴与其中一个阻尼器同轴连接，上方阻尼器的上端、下方阻尼器的下端分别通过锥形滚轮支撑架转动安装有锥形滚轮，且上、下方锥形滚轮支撑架与微型直线电机套筒对应端之间连接有套在对应阻尼器外的弹簧，由微型直线电机、微型直线电机套筒、阻尼器、弹簧、锥形齿轮构成减振单元，多个减振装置分别沿环形导轨内圈设置，减振装置中连接台通过安装通孔套装在对应配对的可移动变幅机构中纵向液压缸上，减振装置中减振机架底面对称三角形顶点处上、下方的锥形滚轮分别滚动安装在中心环台外圈导槽中，减振装置中减振机架底面其余呈对称的两个三角顶点处上、下方的锥形滚轮分别滚动安装在环形导轨内圈的凹槽中，且其余两个三角顶点以对应的纵向液压缸为对称轴呈相互对称。

2.根据权利要求1所述的可变结构参数柔索并联机器人减振装置，其特征在于：还包括有检测-控制-反馈回路减振系统，检测-控制-反馈回路减振系统包括单片机控制芯片，以及由加速度计、速度计、位移计构成的振动检测单元，所述检测-控制-反馈回路减振系统设置在可移动变幅机构上，其中振动检测单元设置在纵向液压缸活塞杆上端柔索滑轮安装处，单片机控制芯片设置在机架上，所述振动检测单元接入单片机控制芯片的输入接口，单片机控制芯片的输出接口连接减振单元中微型直线电机。

3.一种基于权利要求1所述装置的可变结构参数柔索并联机器人减振方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、可移动变幅机构通过横向滑轮卡在环形导轨上，三个减振单元中部嵌套在减振机架底部的三个套筒内组成减振装置，将减振装置上部套在纵向液压缸上，并用紧定螺钉拧紧，减振装置下部的减振单元分别放置在环形导轨内部，使得减振单元的锥形滚轮嵌入到环形导轨的凹槽内；

步骤二、纵向液压缸上部的振动通过减振机架传递到三个减振单元，由三个减振单元的弹簧和阻尼器实现减振的目的，另外，分布在环形导轨外侧的两个减振单元，实现纵向液压缸上部切向振动的减振，分布在环形导轨内侧的一个减振单元，实现纵向液压缸上部径向振动的减振，纵向液压缸上部的振动通过机械减振装置实现主要部分的减振；

步骤三、安置在纵向液压缸顶部柔索滑轮外侧的振动检测单元，实时检测纵向液压缸顶部的振动幅度，由单片机控制芯片输入接口实时采集振动检测单元检测到的振动信号，并进行相应的数据处理，由单片机控制芯片输出接口控制微型直线电机的伸缩，进而改变弹簧和阻尼器伸缩；

步骤四、若切向振动幅度稍大，则微调分布在环形导轨外侧减振单元的微型直线单机，使其伸长，进而压缩弹簧和阻尼器，增大弹力和阻尼，达到切向减振的目的，径向减振亦如是。